新疆天山北坡經濟帶持續低溫指數變化特征

鄭玉萍，宮恒瑞，苗運玲，王 毅，崔玉玲，蒲 潔

（1.中亞大氣科學研究中心，新疆 烏魯木齊 830002；2.烏魯木齊市氣象局，新疆 烏魯木齊 830002）

研究表明，近50 a新疆大部分地區氣溫上升明顯，降水增多，呈“暖濕化”變化[1-2]，而高緯度的北疆地區，氣候變暖更為明顯[3-4]。新疆天山北坡經濟帶位于北疆以烏魯木齊、石河子和克拉瑪依市為軸心的準噶爾盆地南緣天山北坡中段，是全疆農牧業資源最富集的地區，是重要的糧食生產基地，同時也是新疆優質長絨棉、加工番茄、色素辣椒等特色作物的種植基地，冬季設施農業發展也較為迅速。近年來氣候變暖總體有利于農業生產的發展，但低溫冷害仍為該區域主要的農業氣象災害之一，尤其是延遲型低溫冷害[5-8]。低溫冷害一般是指農作物在整個生長發育期或某個生長發育期內，氣溫低于作物所需的臨界溫度而造成的嚴重減產。前人在研究低溫冷害指標方面取得了不少成果，如利用≥10℃活動積溫[9]或某個生長階段內平均氣溫的距平值[10]等作為生長季內冷害的指標；在確立冷害指標的基礎上運用回歸分析方法建立模型對低溫冷害進行預測[11-12]；李新建等[13-14]還構建了棉花熱量指數作為棉花冷害指標，具有較好的生物和物理學意義；鄒陳等[15]通過智能人工氣候箱對石河子棉區棉花障礙型冷害開展了模擬試驗研究。王艷華等[16-17]綜合考慮作物不同生長階段對溫度耐受力的差異和低溫持續時間對其生長發育的影響，定義了持續低溫指數（Consec utive Cold Day Index）作為一種新的低溫冷害指標，該指標與作物產量的波動密切相關，能夠較好地反映極端低溫對作物的綜合影響。本文借鑒CCDI這一冷害指標，就近55 a氣候變暖背景下天山北坡經濟帶CCDI的變化規律及其對年、季氣溫變化的響應進行研究分析，以期對農業生產趨利避害提供科學參考依據。

1 資料及統計方法

1.1 資料來源

采用新疆天山北坡經濟帶中處于同一氣候區域的12個國家氣象站（圖1，烏魯木齊、米東、昌吉、阜康、呼圖壁、瑪納斯、石河子、莫索灣、烏蘭烏蘇、沙灣、烏蘇、精河）逐日最低氣溫、平均氣溫，時間段為1965年1月—2019年12月。

圖1 研究區海拔高度及氣象站點分布

1.2 統計方法

CCDI定義為統計時段內（一年或一個季節內）連續3 d及以上日最低氣溫低于該日多年日最低氣溫平均值3℃的總日數[16-17]。

假定Tij為第j時段第i天的日最低氣溫，Ti平均為第i天1981—2010年日最低氣溫平均值年序列的5 d滑動平均值，則CCDI為某時段內至少連續出現3 d以上Tij比Ti平均小3℃的總日數。文中春季為3—5月、夏季為6—8月、秋季為9—11月、冬季為12月—次年2月。

對研究區內12站逐日氣溫資料進行統計處理，采用線性趨勢對近55 a來CCDI及年、季平均氣溫變化趨勢進行分析，變化趨勢顯著性用相關系數r進行檢驗：當r>rα=0.01時，判斷為變化極顯著；當r>rα=0.05時，判斷為變化顯著。

定義CCDI的溫度敏感系數H為平均氣溫T升高1℃所引起的CCDI的改變量，即

式中，H為CCDI的溫度敏感系數，單位為d·℃-1，其絕對值越大，表示CCDI對溫度的敏感性越強。本文以因變量CCDI依自變量平均氣溫的一元線性回歸方程的回歸系數來表示CCDI的溫度敏感系數，為了排除偶然因素的影響，某一年的溫度敏感系數由以這一年為中心，向前、后各取5 a共11 a的樣本資料計算所得。

2 結果分析

2.1 持續低溫指數的指示意義

為了確認CCDI作為一種新的低溫冷害指標的指示意義，統計了研究區近55 a來12個站點出現CCDI時對應的日最低氣溫（表1）。結果顯明，研究區冬季12月—次年2月出現CCDI時對應的日最低氣溫12站平均值為-22.8~-26.2℃，遠遠低于日光溫室嚴重凍害指標-18℃[18]，同時-20℃以下低溫對牧業產羔育幼也會造成不利影響；3、11月出現CCDI時的日最低氣溫＜-10℃，會造成日光溫室蔬菜減產甚至絕收[19]；4、10月CCDI對應的日最低氣溫＜0℃，則會出現霜凍影響大田作物；5和9月CCDI對應的日最低氣溫低于喜溫作物生長的臨界指標10℃，夏季6—8月低于喜溫作物積極生長發育的指標15℃。由此可見，CCDI這一指標對作物生長季0℃以上的低溫冷害和春秋季、冬季0℃以下的凍害均具有很好的指示意義。

表1 研究區各月出現CCDI時對應的日最低氣溫指標

2.2 持續低溫指數的空間分布

近55 a研究區平均年CCDI為68 d，其空間分布見圖2a，最大值出現在昌吉，平均每年為87 d，最小值在瑪納斯，平均每年為58 d。其中昌吉、米東、莫索灣、沙灣、烏蘇站年CCDI為70~75 d，高于研究區平均值，說明這些區域出現低溫冷害及凍害的頻率相對較大；阜康、烏魯木齊、呼圖壁、瑪納斯、石河子、烏蘭烏蘇、精河等7站的年CCDI為58~66 d，低于研究區平均CCDI值，出現低溫冷害及凍害的頻率相對較小。

從研究區四季平均CCDI來看（圖2），冬季最大，為28 d，春季次之，為17 d，秋季14 d，夏季最少，為8 d。從圖2可以看出，研究區四季的CCDI空間分布和年CCDI空間分布基本一致，即，春、夏、秋、冬季CCDI最大值均出現在昌吉，分別為21、12、18、35 d，其中昌吉、米東、莫索灣、沙灣、烏蘇等5站CCDI均高于研究區的平均CCDI值，阜康、烏魯木齊、呼圖壁、瑪納斯、石河子、烏蘭烏蘇、精河等地CCDI值相對較小，其中春、夏、秋季CCDI最小值均出現在瑪納斯，分別為15、6、12 d，冬季CCDI最小值出現在烏魯木齊，為24 d。

圖2 研究區年（a）、春季（b）、夏季（c）、秋季（d）、冬季（e）CCDI空間分布

2.3 研究區氣候變暖的事實分析

分析結果表明，近55 a來研究區的年、季平均氣溫均呈升高的趨勢，其中12個站點的年平均氣溫全部達到了極顯著升高的標準（r>rα=0.01）；春季和秋季均為10個站點達到了極顯著升高標準（r>rα=0.01）、1個站點達到了顯著升高標準（r>rα=0.05）；夏季為10個站點達到了極顯著升高標準（r>rα=0.01）；冬季有4個站點達到了極顯著升高標準（r>rα=0.01），4個站點達到了顯著升高標準（r>rα=0.05）（圖3）。

圖3 研究區年（a）、春季（b）、夏季（c）、秋季（d）、冬季（e）氣溫變化趨勢分布

近55 a來整個研究區年平均氣溫的氣候傾向率為0.33℃/10 a，各站的年氣溫氣候傾向率為0.18～0.49℃/10 a。從四個季節氣溫的變化趨勢來看，冬季升溫幅度最大，研究區平均氣候傾向率為0.37℃/10 a，各站氣候傾向率為0.21～0.60℃/10 a；夏季升溫幅度最小，研究區平均氣候傾向率為0.21℃/10 a，各站氣候傾向率為-0.13～0.38℃/10 a；春、秋季研究區平均氣候傾向率分別為0.33、0.35℃/10 a，各站氣候傾向率分別為0.10～0.51℃/10 a、0.17～0.53℃/10 a。

2.4 持續低溫指數對氣候變暖的響應

2.4.1年、季變化響應

對近55 a研究區12個站點的年、季CCDI變化趨勢進行分析表明，年、季CCDI均呈減少趨勢（圖4）。其中12個站點年CCDI均達到了極顯著減少標準（r>rα=0.01）；春、秋季均有10個站點為極顯著減少（r>rα=0.01）、1個站點為顯著減少（r>rα=0.05）；夏季有10個站點達到了極顯著減少標準（r>rα=0.01）；冬季有8個站點極顯著減少（r>rα=0.01），3個站點顯著減少（r>rα=0.05）。對比圖3和圖4可知，研究區各站CCDI年、季變化趨勢和氣溫的變化趨勢基本一致，二者之間存在很好的對應關系，特別是瑪納斯站尤為突出，夏季、秋季升溫趨勢都不顯著，對應CCDI減少趨勢也不顯著。

近55 a研究區平均年CCDI的氣候傾向率為-12.0 d/10 a，其中冬季CCDI降幅最大，氣候傾向率為-4.0 d/10 a，夏季CCDI降幅最小，氣候傾向率為-2.2 d/10 a，春、秋季氣候傾向率均為-2.9 d/10 a。由此可知，隨著年、季氣溫的升高，研究區的年、季CCDI趨于減少，即低溫冷害及凍害發生的頻率趨于減少，且各季節CCDI的減少程度與氣溫的升高程度有很好的對應關系。受季節升溫程度不同的影響，各季節CCDI減少幅度也不同，表現為升溫幅度最大的冬季CCDI減少最明顯，說明研究區冬季持續出現-20℃以下的寒冷天氣趨于減少，這對設施農業及畜牧業生產的開展十分有利，處于農事季節的春、夏、秋三季的CCDI也呈減少趨勢，這對大田生產總體來說是有利的，但CCDI減少幅度明顯小于冬季。從圖4中可以看出，瑪納斯春、夏、秋三季CCDI減少都不顯著，說明該地作物生長季的低溫冷害需要重點關注。

圖4 研究區年（a）、春季（b）、夏季（c）、秋季（d）、冬季（e）CCDI變化趨勢分布

2.4.2年代際變化響應

近55 a來研究區年、季CCDI和平均氣溫之間呈極顯著的反相關，二者相關系數高達-0.765～-0.940，均通過了0.01的顯著性檢驗。將研究區1965—2019年分為6個年代際，分別統計了年、季CCDI距平（ΔCCDI）和氣溫距平（ΔT），結果表明，二者之間反相關非常明顯，即各年代際CCDI負距平基本均對應氣溫正距平，CCDI正距平對應氣溫負距平，年、季都經歷了氣溫距平由負轉正、同時CCDI距平由正轉負的過程，其中年和春季的轉折節點出現在20世紀90年代，夏、秋季轉折點出現在21世紀00年代，冬季轉折點出現在20世紀80年代。從各年代際的氣溫距平和CCDI距平變幅來看，冬季振幅最大、春秋季次之，夏季最小（表2）。

表2 研究區1965—2019年各年代際年、季CCDI距平及年平均氣溫距平對比

2.5 持續低溫指數的溫度敏感性分析

利用研究區近55 a的CCDI及平均氣溫進行溫度敏感系數計算，得出歷年CCDI對年平均氣溫的敏感系數均為負值（圖5），說明年CCDI值隨著年平均氣溫的升高而減少。年CCDI對氣溫的敏感系數為-21.8 d·℃-1，即年平均氣溫每升高1℃，年CCDI減少21.8 d，其中1990年以前敏感系數平均值達-24.7 d·℃-1，1991年之后降為-19.2 d·℃-1。年CCDI和年平均氣溫之間呈顯著的反相關，歷年相關系數均通過了0.05的的顯著性檢驗，從圖5a可以看出，1991—2002年相關系數比其它時段低，對應敏感系數也相對較小。

各季節CCDI對平均氣溫的敏感系數也均為負值，其中冬季敏感系數最大，平均為-6.3 d·℃-1，秋季次之，為-5.8 d·℃-1，春季和夏季均為-5.4 d·℃-1。從CCDI和平均氣溫二者的相關系數來看，春季和冬季相關性最好，相關系數平均值分別達-0.886、-0.932，歷年相關系數均通過了0.01的顯著性檢驗；秋季歷年相關系數均通過了0.05的顯著性檢驗；夏季相關性最弱，相關系數有11 a未通顯著性檢驗，對應敏感系數也表現為波動性變化明顯（圖5）。從圖5可知，除了冬季以外，其它三個季節的相關系數和敏感系數的多年變化趨勢基本一致。

圖5 研究區年（a）、春季（b）、夏季（c）、秋季（d）、冬季（e）CCDI對其平均氣溫的敏感系數及相關系數變化

從敏感系數的多年變化趨勢來看，整個研究期年CCDI的溫度敏感系數絕對值呈極顯著的減小趨勢（r>rα=0.01），平均每10 a減小1.8 d·℃-1。從各個季節來看，秋季CCDI的溫度敏感系數呈極顯著減小趨勢（r>rα=0.01），平均每10 a減小1.0 d·℃-1；春季、夏季CCDI溫度敏感系數絕對值呈顯著減小趨勢（r>rα=0.05），平均每10 a分別減小0.2、0.6 d·℃-1；冬季則與其它季節相反，CCDI的溫度敏感系數絕對值呈顯著增大趨勢（r>rα=0.05），平均每10 a增大0.2 d·℃-1。以上分析結果說明，近50 a來，隨著研究區的氣候變暖，冬季CCDI對氣溫變化的敏感性是趨于加強，即CCDI隨著氣溫的升高而減少的趨勢在增強，而春季、夏季、秋季CCDI對氣溫變化的敏感度在降低，即CCDI值隨著氣溫的升高而減少的趨勢在逐漸減弱。

3 結論與討論

（1）近55 a來，研究區的年、季平均氣溫均呈顯著升高趨勢，其中冬季升溫幅度最大、夏季升溫幅度最小。隨著氣溫的升高，研究區年、季CCDI均呈顯著減少趨勢，其中冬季減少幅度最大、夏季減少幅度最?。唤?5 a來年、季CCDI和平均氣溫之間呈顯著的反相關；經統計，年、季CCDI對平均氣溫的敏感系數均為負值，即CCDI值隨著平均氣溫的升高而減少；從多年變化趨勢來看，年及春、夏、秋三季CCDI的溫度敏感系數絕對值呈顯著減小趨勢，即CCDI隨著氣溫升高而減少的趨勢在減弱，而冬季則呈顯著增大趨勢，即CCDI隨著氣溫升高而減少的趨勢在增強。

（2）在氣候變暖的大背景下，研究區的年、季CCDI均顯著減少，對農牧業生產來說總體有利，其中冬季CCDI對氣候變暖的響應尤為顯著，這將減少冬季凍害的發生，對發展設施農業和牧業生產較為有利，需要注意的是，主要農事季節春、夏、秋三季CCDI雖然也呈減少趨勢，但CCDI降幅明顯低于冬季，且CCDI隨著氣溫升高而減少的趨勢在逐漸減弱，這提示在氣候變暖的背景下春秋季的霜凍、作物生長季的低溫冷害仍然需要重點防御，同時要關注研究區CCDI的區域性差異，特別要做好CCDI高值區即低溫冷害發生頻率較高區域以及CCDI減少不顯著區域的重點防御。